Produkcja addytywna ma już za sobą etap, w którym miała zastąpić wszystko, dzięki czemu można wreszcie powiedzieć, gdzie faktycznie się sprawdza.
Co dzieje się po wydruku
Maszyna kończy pracę, ale część wcale nie jest gotowa.
W zależności od procesu i zastosowania mogą po nim następować: odcięcie części od platformy roboczej, usunięcie struktur podporowych, wyżarzanie odprężające, prasowanie izostatyczne na gorąco zamykające wewnętrzną porowatość, obróbka skrawaniem powierzchni krytycznych, bo tolerancja i chropowatość „prosto z drukarki” nie wystarczają, wykończenie powierzchni, wypłukanie uwięzionego proszku z wewnętrznych kanałów i wreszcie kontrola.
Druk to widoczny etap i często mniejsza część kosztu. Biznesplany, które zestawiają czas druku z czasem obróbki skrawaniem, porównują nie to, co trzeba.
Warto jasno wypowiedzieć dwie konsekwencje.
To zdolność do obróbki wykończeniowej decyduje o przepustowości. Firma, która kupuje drukarkę bez zaplecza do wykańczania części, kupiła sobie wąskie gardło zasilające kolejne wąskie gardło.
Wewnętrzne struktury mogą stać się problemem. Złożone kanały wewnętrzne to sztandarowa zaleta druku addytywnego, ale to właśnie w nich najłatwiej uwięzić proszek i najtrudniej to skontrolować. Zaprojektować je jest łatwo, zweryfikować – już nie.
Gdzie druk addytywny naprawdę wygrywa
Pięć przypadków, przedstawionych jako fakty, nie jako potencjał.
Małe serie. Brak oprzyrządowania oznacza brak amortyzacji, więc przy niewielkich ilościach druk addytywny bywa tańszy niż jakikolwiek proces wymagający form czy narzędzi.
Złożona geometria, której nie da się wykonać inaczej. Wewnętrzne kanały chłodzące, struktury kratowe, kształty zoptymalizowane topologicznie. Kiedy alternatywa jest niemożliwa, a nie tylko droga, porównanie samo się broni.
Konsolidacja części. Zastąpienie zespołu wielu elementów jednym wydrukowanym komponentem eliminuje łączniki, złącza, pracę montażową i potencjalne miejsca awarii. To często tu leży prawdziwa wartość – i pozostaje niewidoczna, jeśli porównuje się koszt części do kosztu części.
Oprzyrządowanie. Uchwyty, przyrządy montażowe i formy, w tym formy wtryskowe z chłodzeniem konforemnym – jedno z najlepiej udokumentowanych zastosowań komercyjnych.
Części zamienne. Niedostępne już na rynku komponenty do urządzeń wciąż pracujących, gdzie alternatywą jest odtworzenie oprzyrządowania lub wymiana całej maszyny.
Gdzie nie wygrywa
Równie konkretnie – bo to uczciwe wskazanie granic czyni wiarygodnymi opisane wcześniej mocne strony.
Produkcja seryjna prostych części. Procesy konwencjonalne są szybsze i tańsze w przeliczeniu na sztukę, i żaden postęp technologiczny nie zmieni kształtu tej krzywej.
Tam, gdzie liczy się jakość powierzchni i tolerancja. Powierzchnie funkcjonalne części addytywnych zwykle wymagają obróbki skrawaniem już po wydruku, co przywraca do gry proces konwencjonalny.
Tam, gdzie właściwości materiału muszą być pewne i identyfikowalne. Właściwości zmieniają się wraz z parametrami procesu, orientacją, położeniem na platformie roboczej i maszyną, co czyni kwalifikację kosztowną.
Tam, gdzie materiał jest niedostępny lub nieopłacalny. Proszek jest drogi, a wybór zakwalifikowanych materiałów jest węższy niż w procesach konwencjonalnych.
Miejsce tego kierunku w domenie
Produkcja addytywna i druk 3D to piąty z dziesięciu kierunków w domenie zaawansowanej produkcji Astra Trainer, powiązany z inżynierią produkcji przy doborze procesu, z inżynierią jakości i niezawodności przy kwalifikacji oraz z projektowaniem produktu i CAD przy projektowaniu pod druk addytywny.
Silnie zależy od zaawansowanych materiałów, zwłaszcza metalurgii i materiałów energetycznych, bo właściwości części addytywnej są metalurgicznym skutkiem procesu druku. Partnerzy wdrażający druk addytywny zwykle potrzebują jednocześnie kompetencji procesowych, projektowych i kwalifikacyjnych, a nie samej obsługi maszyny. Zobacz dziesięć kierunków tutaj.
Ograniczeniem jest projekt, nie maszyna
Najwyraźniejszy wniosek dotyczący kadr w tym kierunku.
Maszyny są dostępne i wciąż się poprawiają. Usługi biur druku sprawiają, że firma może korzystać z tej technologii bez inwestycji kapitałowych. To, co ogranicza wdrożenie, to ludzie potrafiący projektować pod tę technologię.
Cztery rzeczy, których projektowanie pod druk addytywny wymaga, a projektowanie konwencjonalne nie.
Myślenie w kierunku budowy. Anizotropia oznacza, że właściwości różnią się wzdłuż i w poprzek warstw wydruku. Orientacja wpływa na wytrzymałość, wykończenie powierzchni, zapotrzebowanie na podpory i koszt, i trzeba ją ustalić już na etapie projektu.
Projektowanie eliminujące podpory. Nawisy wymagają struktur podporowych, które kosztują materiał, czas i pracę przy usuwaniu, a z wnętrza elementu bywają wręcz niemożliwe do usunięcia. Geometria samonośna to umiejętność projektowa.
Wiedza, kiedy konsolidować. Rozpoznanie, że sześć części może stać się jedną, i zrozumienie, co to oznacza dla montażu, kontroli i napraw.
Projektowanie z myślą o całej ścieżce procesu. W tym o tym, jak część zostanie zamocowana do obróbki, jak wydostanie się z niej proszek i jak zostanie skontrolowana.
Konstruktor wyszkolony wyłącznie w projektowaniu konwencjonalnym zaprojektuje konwencjonalną część, którą potem drogo wyprodukuje się addytywnie – i to najczęstszy powód, dla którego projekty addytywne rozczarowują.
Role po imieniu
Inżynierowie projektowania pod druk addytywny (Design for Additive Manufacturing). Rzadka rola i ta, która odblokowuje wartość.
Inżynierowie procesu addytywnego. Parametry, przygotowanie zadania druku, orientacja i strategia podpór.
Operatorzy maszyn i technicy druku. Wraz z obsługą proszku.
Technicy obróbki wykończeniowej. Usuwanie podpór, wykończenie i obróbka skrawaniem. Wąskie gardło przepustowości.
Metalurdzy i inżynierowie materiałowi do kwalifikacji proszku i właściwości części.
Specjaliści od kontroli, zwłaszcza tomografii komputerowej dla struktur wewnętrznych – jednej z niewielu metod pozwalających zajrzeć do wnętrza wydrukowanej części.
Inżynierowie kwalifikacji i certyfikacji do zastosowań regulowanych.
Specjaliści od obsługi proszku i bezpieczeństwa pracy.
Kogo można przekwalifikować
Operatorzy i programiści CNC. Znają mocowanie przedmiotu obrabianego, tolerancje i wykończenie, czyli połowę obróbki wykończeniowej. To oni zresztą będą obrabiać wydrukowaną część.
Konstruktorzy. Brakuje im warstwy projektowania pod druk addytywny – to przekwalifikowanie o największej dźwigni, jakie tu dostępne.
Metalurdzy i technicy materiałowi. W kwalifikację proszku i części, gdzie ich dotychczasowa wiedza stosuje się wprost.
Narzędziowcy. W zastosowania oprzyrządowania, jedno z najlepiej sprawdzonych zastosowań i bezpośrednio sąsiadujące z ich obecną pracą.
Badacze nieniszczący (NDT). W kontrolę części addytywnych, która wymaga metod dostosowanych do geometrii wewnętrznej.
Spawacze. Nieoczywiste, lecz sensowne przejście do procesów Directed Energy Deposition, bliższych spawaniu niż drukowi.
Proszek metalu jest niebezpieczny. Drobne proszki metali niosą ryzyko wybuchu pyłu, a niektóre, w tym stopy tytanu i aluminium, są szczególnie reaktywne. Narażenie dróg oddechowych na proszki metali niesie ryzyko zdrowotne, a dla niektórych materiałów obowiązują odrębne limity ekspozycji. Praca z nimi wymaga w niektórych przypadkach procedur w atmosferze obojętnej, odpowiedniej wentylacji wyciągowej, środków ochrony indywidualnej i zabezpieczeń wyznaczonych przez kompetentną ocenę ryzyka. Szkolenie buduje zrozumienie i świadomość zagrożeń. Nie stanowi oceny ryzyka ani upoważnienia do pracy z konkretnym materiałem.
Co warto z tego zapamiętać
Wydruk to tańsza połowa. Obróbka wykończeniowa, kontrola i kwalifikacja kosztują często więcej, a biznesplany zwykle je pomijają.
Druk addytywny wygrywa przy małych seriach, niemożliwej geometrii, konsolidacji części, oprzyrządowaniu i częściach zamiennych, a przegrywa na koszcie jednostkowym przy dużych wolumenach oraz tam, gdzie liczy się wykończenie i pewność właściwości.
Konsolidacja części to zwykle miejsce prawdziwej wartości, a porównywanie kosztu części do kosztu części ją ukrywa.
Kompetencja projektowa jest ograniczeniem, nie dostęp do maszyn, a konstruktor wyszkolony konwencjonalnie tworzy konwencjonalną część, którą potem drogo się wytwarza.
A operatorzy CNC, konstruktorzy i metalurdzy to trzy przekwalifikowania, na których naprawdę zależy, przy czym spawacze nieoczekiwanie dobrze pasują do procesów naddawania materiału.
Dlaczego biznesplany dla druku addytywnego rozczarowują?
Bo zestawiają czas druku z czasem obróbki skrawaniem i pomijają obróbkę wykończeniową, kontrolę i kwalifikację, które często kosztują więcej niż sam wydruk.
Gdzie druk addytywny naprawdę się opłaca?
Przy małych seriach, geometrii niemożliwej do wykonania inaczej, konsolidacji części zastępującej zespoły, oprzyrządowaniu, w tym formach z chłodzeniem konforemnym, oraz niedostępnych już częściach zamiennych.
Co ogranicza wdrożenie druku addytywnego?
Brak konstruktorów potrafiących projektować pod tę technologię. Kierunek budowy, geometria samonośna, wyczucie konsolidacji i projektowanie pod całą ścieżkę procesu to umiejętności, których nie uczy projektowanie konwencjonalne.
Dlaczego kwalifikacja części addytywnych jest taka droga?
Bo właściwości materiału zależą od parametrów procesu, orientacji, położenia na platformie roboczej i konkretnej maszyny, więc wykazanie powtarzalnych właściwości wymaga obszernej dokumentacji dowodowej.
Kto może przejść do ról w druku addytywnym?
Operatorzy CNC w obróbkę wykończeniową i przygotowanie, konstruktorzy w projektowanie pod druk addytywny, metalurdzy w kwalifikację, narzędziowcy w oprzyrządowanie, a spawacze w naddawanie materiału skoncentrowaną wiązką energii.